AlSi10Mg合金的增材制造方法及利用该方法制得的铝合金转让专利
申请号 : CN202111590710.0
文献号 : CN114309648B
文献日 : 2023-04-07
发明人 : 黄文静 , 张曦 , 梁恩泉 , 晁灿 , 王新扬 , 章骏
申请人 : 中国商用飞机有限责任公司 , 中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院
摘要 :
权利要求 :
1.一种AlSi10Mg合金的增材制造方法,其特征在于,包括以下步骤:将AlSi10Mg合金粉末平铺在成形舱的基板上,形成合金粉末层;
在惰性气体的保护下,对合金粉末层进行激光扫描熔凝成形,其中,在每一层打印成形的过程中,激光束按照预设的扫描路径先成形内部实体平面,完成内部实体平面的成形后,激光束围绕着该层内部实体平面的边缘由内至外依次进行至少两道外部轮廓的.扫描成形,最终完成单层打印层的成形;
逐层执行上述打印层的成形过程,直至完成AlSi10Mg合金的激光增材制造成形;
其中,打印内部实体平面的激光功率不小于打印外部轮廓的激光功率,打印内部实体平面的扫描速度不小于打印外部轮廓的扫描速度;
所述外部轮廓设有两道,分别为从内至外依次布置的第一道外部轮廓和第二道外部轮廓,打印所述第一道外部轮廓的激光功率小于打印所述第二道外部轮廓的激光功率,打印所述第一道外部轮廓的扫描速度小于打印所述第二道外部轮廓的扫描速度;所述第二道外部轮廓采用激光能量密度的打印工艺参数相较于第一道外部轮廓采用激光能量密度的打印工艺参数更低;
其中,所述第一道外部轮廓采用如下参数进行打印成形:激光功率为30W;
扫描速度为500mm/s;
光斑尺寸为100μm;
铺粉层厚为30μm;
所述第二道外部轮廓采用如下参数进行打印成形:激光功率为50W;
扫描速度为900mm/s;
光斑尺寸为100μm;
铺粉层厚为30μm;
所述内部实体平面采用如下参数进行打印成形:激光功率为400W;
扫描速度为1400mm/s;
光斑尺寸为100μm;
扫描间距为80μm;
铺粉层厚度为30μm。
2. 如权利要求1所述的增材制造方法,其特征在于,AlSi10Mg合金粉末的粒径为20μm~
63μm,D10=22 .1μm,D50=36 .5μm,D90=58μm;
其中,D10表示一个粉末样品的累计粒度分布百分数达到10%时所对应的粒径;
D50表示一个粉末样品的累计粒度分布百分数达到50%时所对应的粒径,又称为中值粒径;
D90表示一个粉末样品的累计粒度分布百分数达到90%时所对应的粒径。
3.如权利要求1所述的增材制造方法,其特征在于,所述惰性气体的出气压力为5bar,成形舱内的氧含量低于100ppm。
4.如权利要求1所述的增材制造方法,其特征在于,所述成形舱的基板为Al‑Mg系防锈铝或Al‑Si系铝合金板材。
5.如权利要求1所述的增材制造方法,其特征在于,两两相邻的所述外部轮廓之间的扫描间距为100μm。
6.如权利要求1所述的增材制造方法,其特征在于,所述惰性气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气中的至少一种。
7.一种利用如权利要求1 6任一项所述增材制造方法制得的铝合金,其特征在于,以质~量百分比计,所述铝合金由以下成分组成:Si:9.48wt%;Mg:0.28wt%;Ti:0.01wt%;Sn:
0.01wt%;Fe:0.12wt%;Zn:0.013wt%;Cu:0.01wt%;H:0.0017wt%;O:0.02wt%,余量为Al及不可避免杂质。
8.如权利要求7所述的铝合金,其特征在于,所述铝合金的抗拉强度为505MPa,屈服强度为286MPa,表面粗糙度Ra为6~7μm。
说明书 :
AlSi10Mg合金的增材制造方法及利用该方法制得的铝合金
技术领域
背景技术
用。近一百年以来,铝合金构件主要通过锻造、铸造、焊接、机械连接等传统方法成形,但随
着航空航天产业对绿色制造、降本减重要求的日益提高,飞机结构件的轻量化设计对成形
方法提出了严峻挑战。激光增材制造技术正在成为解决飞机复杂构件制造的有效途径,尤
其是以基于粉末床的选区激光熔化(Selective LaserMelting,SLM,又称激光粉床打印)和
激光熔覆沉积(Laser claddingdeposition,LCD,又称激光送粉打印)增材制造技术为代
表。铝合金激光增材制造技术可大幅减轻零件重量、降低成本,因此铝合金激光增材制造技
术在航空、航天、汽车等轻量化、高性能复杂零件制造领域受到高度重视。
低吸收、高反射性,容易在成形过程中形成未熔合孔洞和夹渣,导致其强度下降,力学性能
较差。此外,由于应力易集中在表面,因此相较于内部缺陷,表面缺陷更易诱发裂纹萌生扩
展、降低其机械性能甚至导致零件失效。现有技术往往采用对打印完的零件进行机加工、喷
砂或者化学抛光的方式提高表面的质量和光洁度,但机加工具有成本高、耗时、操作难度大
等缺点,喷砂具有不均匀性、增加表面应力、粉尘污染等缺点,且存在一些难以进行机加工
和喷砂的表面,如零件内部通道、内部拐角、网格等结构;化学抛光具有环境污染、抛光能力
有限,精细部位易受蚀损等缺点。因此,如何在克服以上缺点的基础上,采用一种新的方法
提高增材制造AlSi10Mg合金件的表面质量和光洁度从而进一步提高其强度和美观性成为
一项难题。
发明内容
形后,激光束围绕着该层内部实体平面的边缘由内至外依次进行至少两道外部轮廓的扫描
成形,最终完成单层打印层的成形;
外部轮廓的扫描速度。
外部轮廓的激光功率小于打印所述第二道外部轮廓的激光功率,打印所述第一道外部轮廓
的扫描速度小于打印所述第二道外部轮廓的扫描速度。
成分组成:Si:9~11wt%;Mg:0.2~0.5wt%;Ti:≤0.15wt%;Sn:≤0.05wt%;Fe:≤
0.55wt%;Zn:≤0.10wt%;Cu:≤0.05wt%;H:≤0.01wt%;O:≤0.1wt%,余量为Al及不可
避免杂质。
体中,将α‑Al分割为大小不一的近椭圆形,其中包含细晶区、粗晶区、热影响区;而外部轮廓
表现为更细小的共晶硅和Al基组织,只有细晶区,显著提高了铝合金的表面硬度和性能,从
而在提高铝合金表面光洁度同时又提高了铝合金的强度,此外,光滑的外表面也是提升
AlSi10Mg合金力学性能的因素之一。
附图说明
具体实施方式
度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为
了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方
位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”
仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的
数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特
征。在本发明的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
件制造领域的性能需求,本实施例提供的AlSi10Mg合金的增材制造方法,包括以下步骤:
形后,激光束围绕着该层内部实体平面的边缘由内至外依次进行至少两道外部轮廓的扫描
成形,最终完成单层打印层的成形;
=58μm,此外,90%以上的粉末粒径集中在20~63μm之间,质量一致、干燥无团聚块,有利于
提高铝合金制件的致密度。在下文及整个说明书中,术语“D10”应理解为一个粉末样品的累
计粒度分布百分数达到10%时所对应的粒径;术语“D50”应理解为一个粉末样品的累计粒
度分布百分数达到50%时所对应的粒径,又称为中值粒径;术语“D90”应理解为一个粉末样
品的累计粒度分布百分数达到90%时所对应的粒径。
行扫描打印,扫描完成一层后成形舱带动成形基板下降一个层厚高度后重新铺粉,激光根
据下一层模型重新扫描打印,最终堆积得到铝合金制件。为了保证打印效果,试验前用酒精
擦拭基板、供粉舱、刮刀等位置,并在成形舱中充入惰性气体保护,可选择的惰性气体为氦
气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气或气奥,在本实施例中优选氩气。进一步地,本实施例所述
惰性气体的出气压力为5bar,成形舱内的氧含量低于100ppm。
廓的激光功率,打印所述第一道外部轮廓的扫描速度小于打印所述第二道外部轮廓的扫描
速度。
较高的激光功率,提高线能量密度,防止粉末热输入量不足导致熔化不完全造成未熔合和
层间缺陷。
描速度大幅下降,在保证激光能量密度能够充分熔融粉末的前提下,有效防止激光功率过
高带来的重熔深度过大和粉末飞溅。
功率有略微的提升,配置相对较高的扫描速度,在保证激光能量密度能够充分熔融粉末的
前提下,进一步降低激光能量密度,散热速度更快,利于形成晶粒更细的坚硬而光滑的组
织,防止过烧和未熔粉末粘污,为的是得到平整光滑的外表面。
Cu:0.01wt%;H:0.0017wt%;O:0.02wt%,余量为Al及不可避免杂质。
鱼鳞状组织直径在30~100μm,由于每层激光扫描的路径不同,相邻层的鱼鳞状组织呈交错
状;水平方向组织呈条带状,为熔滴滚动轨迹的或者说熔池的延伸轨迹,单条的宽度在50~
100μm,长度在300~900μm。图2中虚线表示熔池界线,即两个熔池的搭接处,该处枝晶较熔
池内部的较粗大,且呈胞状生长,这是由于熔化道搭接处的组织经历了2次热源,相当于进
行了重熔,所以此处的组织较其它地方大,而熔池内部为枝晶结构,在本实施例激光打印工
艺参数下,晶粒组织细小、均匀、致密分布,无气孔、疏松、夹杂缺陷。沿熔池界线分布着连续
析出相,主要为共晶Si析出相,起到了析出强化作用。
共晶Si,在本实施例激光打印工艺参数下,α‑Al胞状晶粒细小共晶Si连续分布,宽度较小,
尺寸在0.3~1.8μm,大小均匀的近椭圆形α‑Al相组织使得内部实体组织均匀致密,力学性
能稳定均一,细小的共晶硅沿熔池边缘或晶界析出,起析出强化作用。
小,有利于提高表面硬度和强度,可见铝合金表面较光滑,未见未熔粉末。
零件制造领域的性能需求,本实施例提供的AlSi10Mg合金的增材制造方法,包括以下步骤:
形后,激光束围绕着该层内部实体平面的边缘由内至外依次进行至少两道外部轮廓的扫描
成形,最终完成单层打印层的成形;
=56.5μm,此外,90%以上的粉末粒径集中在20~63μm之间,粉末粒径分布集中、质量一致、
干燥无团聚块,有利于提高铝合金制件的致密度。
行扫描打印,扫描完成一层后成形舱带动成形基板下降一个层厚高度后重新铺粉,激光根
据下一层模型重新扫描打印,最终堆积得到铝合金制件。为了保证打印效果,试验前用酒精
擦拭基板、供粉舱、刮刀等位置,并在成形舱中充入惰性气体保护,可选择的惰性气体为氦
气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气或气奥,在本实施例中优选氩气。进一步地,本实施例所述
惰性气体的出气压力为6bar,成形舱内的氧含量低于100ppm。
廓的激光功率,打印所述第一道外部轮廓的扫描速度小于打印所述第二道外部轮廓的扫描
速度。
较高的激光功率,提高线能量密度,防止粉末热输入量不足导致熔化不完全造成孔隙、夹渣
等缺陷。
0.024wt%;Cu:0.02wt%;H:0.0027wt%;O:0.076wt%,余量为Al及不可避免杂质。
零件制造领域的性能需求,本实施例提供的AlSi10Mg合金的增材制造方法,包括以下步骤:
形后,激光束围绕着该层内部实体平面的边缘由内至外依次进行至少两道外部轮廓的扫描
成形,最终完成单层打印层的成形;
58.8μm,此外,90%以上的粉末粒径集中在20~63μm之间,粉末粒径分布集中、质量一致、干
燥无团聚块,有利于提高铝合金制件的致密度。在实际打印过程中,还需完成一些准备工
作,例如:先建立制件的三维模型,再用切片软件获得每层平面轮廓模型,铺粉辊将粉末从
供粉舱带入成形舱,激光束根据模型进行扫描打印,扫描完成一层后成形舱带动成形基板
下降一个层厚高度后重新铺粉,激光根据下一层模型重新扫描打印,最终堆积得到铝合金
制件。为了保证打印效果,试验前用酒精擦拭基板、供粉舱、刮刀等位置,并在成形舱中充入
惰性气体保护,可选择的惰性气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气或气奥,在本实施例
中优选氩气。进一步地,本实施例所述惰性气体的出气压力为8bar,成形舱内的氧含量低于
100ppm。
廓的激光功率,打印所述第一道外部轮廓的扫描速度小于打印所述第二道外部轮廓的扫描
速度。
较高的激光功率,提高线能量密度,防止粉末热输入量不足导致熔化不完全造成孔隙、夹渣
等缺陷。
Cu:0.028wt%;H:0.0042wt%;O:0.086wt%,余量为Al及不可避免杂质。
粉操作,形成合金粉末层;
行扫描打印,扫描完成一层后成形舱带动成形基板下降一个层厚高度后重新铺粉,激光根
据下一层模型重新扫描打印,最终堆积得到铝合金制件。进一步地,本对比实施例所述惰性
气体的出气压力为5bar,成形舱内的氧含量低于100ppm。
Cu:0.01wt%;H:0.0017wt%;O:0.02wt%,余量为Al及不可避免杂质。
(ZWICK‑Z250电子万能试验机)上进行室温状态下的拉伸试验,拉伸试验结果见表1所示。
廓仪比较法进行表面粗糙度检测,表面粗糙度检测结果见表1所示。
实施例2 487 312 6~7
实施例3 483 311 7~8
对比实施例 364 256 10~12
对比实施例的强度均有明显提高,具体地,抗拉强度提升了约40%,屈服强度提升了约
12%,表面粗糙度显著降低,具体地,表面粗糙度降低了约50%。表明本发明实施例公开的
方法可有效提升AlSi10Mg合金制件的强度并降低表面粗糙度。
小不一的近椭圆形,包含细晶区、粗晶区、热影响区,而外部轮廓表现为更细小的共晶硅和
Al基组织,只有细晶区,显著提高了铝合金的表面硬度和性能。进一步分析近表面局部形貌
发现,实施例1条件下形成了表面光洁度较高的外部轮廓,从而在提高铝合金表面光洁度同
时又提高了铝合金的强度,而对比实施例条件下的外部轮廓粗糙度较高,拉伸强度较低,因
为光滑的外部轮廓有效的减少了拉伸过程的表面应力集中,因此提升了AlSi10Mg合金的力
学性能。
冲击飞溅,使该圈成形的组织更加均匀致密,夹渣和孔洞数量明显减少;
来说结果是激光能量密度进一步降低,同样减少了高激光功率带来的粉末受冲击飞溅,使
该圈成形的组织更加均匀致密,另外,在激光能量足以熔化AlSi10Mg合金粉末的前提下进
一步降低激光能量密度会使得的外圈的散热速度更快,更有利于形成坚硬而光滑的组织
(晶粒更细的网络状共晶硅和α‑Al),对内部组织起到隔离和保护作用,相比于只扫描一道
外部轮廓,扫描两道外部轮廓可以更有效的覆盖内部组织表面,使得成形件表面更加光滑;
因为更多的扫描道数会显著增加打印时间和成本,而带来的有益效果却不明显,不具备经
济性。
阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想;本领域的普
通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其
中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本
发明各实施例的技术方案的范围。